Найвідоміші вчені зазвичай досліджують екзистенційні питання, як-от фізики, що вивчають чорні діри або теорії гравітації, або ті, хто вирішує медичні проблеми, наприклад, творці вакцин проти COVID-19 чи дослідники методів лікування раку. Однак існує група вчених, вплив яких на наше повсякденне життя навіть більший, ніж у попередніх, але які часто залишаються непоміченими. Хімік Джон Хартвіг (Іллінойс, США, 60 років) з Каліфорнійського університету в Берклі (США) належить до цієї групи.

Дослідник нещодавно отримав престижну міжнародну премію в галузі фундаментальних наук за сприяння фундаментальним досягненням у галузі каталізу. Хоча це досягнення може здатися езотеричним, воно уможливило контроль та прискорення хімічних реакцій, що дозволило виробляти раніше неможливі ліки проти ВІЛ, гепатиту чи депресії. За його власною оцінкою під час відеодзвінка з Каліфорнії, «галузь каталізу забезпечує приблизно 30% ВВП США», і ця цифра схожа в інших розвинених країнах.

У світі хімії деякі реакції є надто повільними або надто складними і потребують допомоги металів, які діють як каталізатори для їх прискорення. Одним з досягнень, у якому брав участь Хартвіг, є гомогенний каталіз, де каталізатори та реагенти знаходяться в одній фазі, зазвичай рідкій, що дозволяє проводити більш точні та ефективні реакції.

Більше інформації

Наука прискорення щасливого випадку

Одним із великих досягнень Хартвіга стало розроблення каталізаторів, здатних розривати зв'язки вуглець-водень, які є дуже стабільними та важко модифікуються. Ці зв'язки поширені в органічних молекулах, але їх стабільність робила їх малопридатними для синтезу ліків. Хартвіг та його група змогли перетворити ці зв'язки на зв'язки вуглець-бор (C-B), що є ключовою трансформацією, оскільки бор діє як хімічний «гачок», дозволяючи ефективно збирати складні молекули. Сьогодні ці реакції використовуються у виробництві противірусних препаратів або ліків проти раку підшлункової залози чи легенів. «Дивовижно, що цей процес став використовуватися у великих масштабах. Наприклад, його застосували для виробництва близько тисячі кілограмів сполуки для клінічних випробувань з Amgen у лікуванні солідних пухлин», — пояснює Хартвіг. Його хімія також знайшла застосування в електронних пристроях, таких як органічні світлодіоди (OLED), що використовуються в яскравих екранах мобільних телефонів та телевізорів високого класу.

Запитання. Як ви оцінюєте ситуацію з дослідженнями в США після перших місяців президентства Дональда Трампа?

Відповідь. Ситуація для науки в США жахлива. Питання в тому, як це висловити, не створюючи враження, що всі ми повинні тікати з країни. Але я думаю, громадськість повинна розуміти, що відбувається. Наприклад, багато грантів Національних інститутів здоров'я (NIH) не фінансуються через непрямі стратегії уряду, такі як блокування засідань комітетів, що приймають ці рішення. У мене є три постдокторанти із заявками на стипендії, які навіть не розглядаються.

Крім того, у мене є грант на 3,5 мільйона доларів, рекомендований до фінансування, призначений для проектів з переробки пластику, і зараз він перебуває у «паузі в комунікації». Я не знаю, чи буде він остаточно затверджений, чи просто зникне. Це заважає нам працювати над комерційною життєздатністю хімічної переробки, яку ми розробили і яка могла б принести користь багатьом іншим людям у цій галузі.

Університети також втрачають фінансування через питання, які не мають нічого спільного з їхніми науковими програмами. Наприклад, через студентські протести, пов'язані з конфліктом між Газою та Ізраїлем, деякі установи зазнають скорочень. Страшно бачити цю ситуацію після 30 років роботи в науці в США. Ідея настільки сильно скоротити підтримку досліджень у США викликає тривогу. Наука та інновації були однією з наших візитних карток, нашою ознакою як нації. І, крім того, економіка майбутнього залежить від відкриттів, зроблених сьогодні.

Ці відкриття можуть бути зроблені в університетах або в промисловості, але люди, які їх здійснюють, спочатку проходять через університети, отримують наукові ступені, а потім, можливо, засновують біотехнологічну компанію, яка відкриває нові ліки або розробляє технології, що змінюють життя мільйонів людей. Це природний цикл інновацій.

Такі компанії, як Google та багато інших у технологічному секторі, живилися людьми, підготовленими в цих установах. Якщо ми обріжемо цю базу підготовки та фінансування, що станеться з позицією США як технологічного лідера? Виникає тривожне відчуття: це кроки, які роблять авторитарні режими для консолідації своєї влади. І ми бачимо, як це відбувається на наших очах. Як нам це зупинити? Це дуже складно.

З. Як ви бачите вплив штучного інтелекту на вашу галузь?

В. У нас є проект з Merck з метою розробки способів використання штучного інтелекту для прогнозування дії каталізатора. Відбулися неймовірні досягнення в обчислювальній хімії. Сьогодні дослідники можуть обчислити, якими будуть структури молекул і якою буде енергетичний бар'єр для реакції. Але ці розрахунки, хоч і дуже цінні, вимагають багато часу та значної обчислювальної потужності. Тому ми та інші групи в цій галузі намагаємося з'ясувати, чи можна поєднати ці знання з машинним навчанням для прогнозування каталізаторів. Це сфера, яка все ще перебуває в зародковому стані, але, звісно, ми бачили вражаюче зростання машинного навчання в багатьох аспектах нашого життя. Отже, питання полягає в тому, чи може те саме статися в хімії?

Кінцева мета, Святий Грааль у цій галузі, якого ще ніхто не досяг, полягала б у використанні генеративного штучного інтелекту для прогнозування каталізатора, який міг би здійснити абсолютно нову трансформацію або провести селективну реакцію в чомусь, що ніколи раніше не робилося. Я думаю, що тут є великий потенціал. Я переконаний, що це матиме великий вплив у майбутньому, але точно передбачити, яким буде цей вплив, складно.

З. А як щодо застосувань для навколишнього середовища? Я бачив, що ви працювали з пластиками, які легше переробляти.

В. Ми називаємо це хімічною переробкою. Переробка, яка відбувається сьогодні, здебільшого є так званою механічною переробкою. Тобто, беруть пластик, подрібнюють його, а потім плавлять для формування нового об'єкта. Але більшість продуктів, отриманих цим процесом, є матеріалами значно нижчої вартості. Наприклад, якщо взяти упаковку або пластикову іграшку з певними властивостями, при механічній переробці її змішують з іншими пластиками того ж типу, подрібнюють і перетворюють на новий матеріал. Однак цей матеріал зазвичай використовується для таких продуктів, як садові меблі або пластикові підлоги, що імітують дерево, але не для виробництва харчової упаковки або високоякісних прозорих пластиків.

Те, що ми намагаємося зробити, — це розробити методи розкладання цих пластиків. Ми зосередилися на поліетилені та поліпропілені, які є пластиками найбільшого обсягу виробництва. Разом вони становлять понад половину всіх вироблених пластиків. Але вони надзвичайно стабільні, і ми шукаємо способи вибірково розривати їхні зв'язки. Нещодавно ми опублікували дослідження, в якому показали, що можна взяти поліетилен і за допомогою етилену отримати пропілен. Тобто, ми беремо довгий ланцюг поліетилену, що складається з тисяч атомів вуглецю, фрагментуємо його на менші частини і, нарешті, отримуємо тривуглецеву одиницю, яку можна використовувати для виробництва поліпропілену, одного з пластиків найбільшого обсягу виробництва. Ми сподіваємося просунути цей процес далі і з часом розробити його до комерційно життєздатного рішення.

З. Чи вважаєте ви, що рішення проблеми зміни клімату можуть бути досягнуті виключно за допомогою наукових інновацій, чи це все ще проблема з більшим соціальним виміром?

В. На це важко відповісти. Я маю достатнє уявлення про цю тему, але для реального прогнозу потрібен досвід людей, що спеціалізуються на техноекономічному аналізі та оцінках життєвого циклу. Що я можу сказати, так це те, що багато технологічних рішень залежатимуть від досягнень у хімії. Наприклад, візьмемо випадок сучасних вітрогенераторів. Я не кажу про вітряки Голландії столітньої давності, а про сучасні, які мають гігантські пластикові лопаті. Ці конструкції повинні витримувати величезні навантаження і служити довго, що є значним викликом для матеріалознавства. Коли ці лопаті виходять з ладу або досягають кінця терміну служби, їх необхідно замінювати та шукати способи переробки або повторного використання. Саме тут хімія може запропонувати нові рішення шляхом розробки нових матеріалів. Інший приклад — зменшення ваги транспортних засобів. Якщо нам вдасться замінити певні метали легшими матеріалами, ми зможемо покращити енергоефективність. І якщо нам вдасться практично перетворити вуглекислий газ на паливо, це матиме величезний вплив.

Водночас зміна певних звичок також є ключовою. Це складно, визнаю. Я сам прилетів літаком до Сан-Дієго, потім полечу до Теннессі, а потім повернуся додому. Але якщо нам вдасться змінити деякі моделі поведінки, це також буде визначальним фактором.

З. Нам потрібні технологічні зміни та зміни звичок.

В. Зміна клімату — це складна проблема. Якщо подумати про масштаби, то викопне паливо використовується вдесятеро більше, ніж хімічні продукти. Іноді ми турбуємося про вплив легкої пластикової сумки, але поїздка до супермаркету має значно більший вплив на навколишнє середовище, ніж ця сумка.

З. Якби ви були молодим дослідником, яка галузь здалася б вам найцікавішою або найперспективнішою?

В. Я думаю, що є дуже цікаві напрямки в поєднанні хімії з ферментами та хіміко-ферментативними підходами до синтезу. Деякі молоді дослідники досягли великих успіхів у цій галузі, і я думаю, що там є багато можливостей. Це не змінить все кардинально, але має великий потенціал.

Інша важлива сфера — інтеграція штучного інтелекту в хімію. Використання машинного навчання для просування хімічних відкриттів є перспективним напрямком. Однак, зазвичай ми бачимо, що новий дослідник — або навіть хтось із досвідом, як я — пропонує щось абсолютно несподіване і дивовижне, щось, що змушує нас запитати, як нам це не спало на думку раніше. Також трапляється, що певні відкриття минулого, які були забуті, знову з'являються з новими застосуваннями. Хорошим прикладом цього є фотохімія. Замість використання тепла для стимулювання хімічних реакцій використовується світло. В останні роки ця галузь пережила значне зростання.

Коли ми почали працювати в галузі, за яку нам присудили це визнання, багато хто вважав, що це щось дуже нішеве, що використовуватиметься лише в особливих випадках, як останній засіб у синтезі органічних молекул. Але сьогодні це стало абсолютно мейнстрімним. Важко передбачити майбутнє, але загалом я продовжую вірити у важливість поєднання дисциплін.

З. Якщо озирнутися назад, з моменту, коли ви почали, які досягнення у вашій галузі вас найбільше здивували?

В. Коли ми починали, існували два основні типи реакцій, які люди зазвичай використовували, і був один фундаментальний крок реакції, якого ніхто раніше не спостерігав. Щоб пояснити просто: у каталітичній реакції ви додаєте невелику кількість каталізатора, і він дозволяє отримати велику кількість продукту. Ми вимірюємо це в каталітичних циклах: скільки молекул продукту генерує реакція на кожну молекулу каталізатора. Це число може бути дуже високим, оскільки реакція відбувається циклічно. Каталізатор починає з поглинання реагенту, перетворює його, потім поглинає другий реагент, поєднує їх і вивільняє продукт, повертаючись у свій початковий стан. Це циклічний процес із багатьма етапами. Ми спочатку цікавилися лише одним із цих етапів. Ніхто раніше його не спостерігав, і я подумав, що якщо мені вдасться його ідентифікувати та довести його існування, можливо, я зможу отримати посаду в університеті.

Цей крок врешті-решт став основою повноцінної каталітичної реакції, і ніхто не уявляв, наскільки корисною вона стане. Сьогодні ця реакція стала найбільш використовуваною за останні 40 років у гомогенному каталізі. Коли ми провели нашу першу реакцію, ми випробували її лише на дуже простій молекулі, без жодного фармацевтичного застосування. Але після 20 років поступових досягнень ця реакція стала широко використовуватися в промисловості. Я ніколи б не уявив, що щось настільки теоретичне на початках матиме такий великий вплив.